La introducción básica del proceso de crecimiento epitaxial de SiC

La capa epitaxial es una película monocristalina específica que crece sobre la oblea mediante un proceso epitaxial, y la oblea del sustrato y la película epitaxial se denominan oblea epitaxial. Al hacer crecer la capa epitaxial de carburo de silicio sobre el sustrato conductor de carburo de silicio, la oblea epitaxial homogénea de carburo de silicio se puede preparar aún más en diodos Schottky, MOSFET, IGBT y otros dispositivos de energía, entre los cuales el sustrato 4H-SiC es el más comúnmente utilizado.

Debido al diferente proceso de fabricación del dispositivo de potencia de carburo de silicio y del dispositivo de potencia de silicio tradicional, no se puede fabricar directamente en material monocristalino de carburo de silicio. Se deben cultivar materiales epitaxiales adicionales de alta calidad sobre el sustrato monocristal conductor y se deben fabricar varios dispositivos sobre la capa epitaxial. Por tanto, la calidad de la capa epitaxial tiene gran influencia en el rendimiento del dispositivo. La mejora del rendimiento de diferentes dispositivos de potencia también plantea requisitos más altos en cuanto al espesor de la capa epitaxial, la concentración de dopaje y los defectos.

HIGO. 1. Relación entre la concentración de dopaje y el espesor de la capa epitaxial del dispositivo unipolar y el voltaje de bloqueo

Los métodos de preparación de la capa epitaxial de SIC incluyen principalmente el método de crecimiento por evaporación, el crecimiento epitaxial en fase líquida (LPE), el crecimiento epitaxial por haz molecular (MBE) y la deposición química de vapor (CVD). En la actualidad, la deposición química de vapor (CVD) es el principal método utilizado para la producción a gran escala en las fábricas.

HIGO. 2. Comparación de los principales métodos de preparación de la capa epitaxial.

En el sustrato fuera del eje {0001} con un cierto ángulo de inclinación, como se muestra en la Figura 2 (b), la densidad de la superficie del escalón es mayor y el tamaño de la superficie del escalón es menor, y la nucleación del cristal no es fácil de ocurren en la superficie del escalón, pero más a menudo ocurren en el punto de unión del escalón. En este caso, sólo existe una clave de nucleación. Por lo tanto, la capa epitaxial puede replicar perfectamente el orden de apilamiento del sustrato, eliminando así el problema de la coexistencia de múltiples tipos.

HIGO. 3. Diagrama del proceso físico del método de epitaxia de control de pasos 4H-SiC

HIGO. 4. Condiciones críticas para el crecimiento de ECV mediante el método de epitaxia controlada por pasos 4H-SiC

HIGO. 5. Comparación de tasas de crecimiento con diferentes fuentes de silicio en epitaxia 4H-SiC

En la actualidad, la tecnología de epitaxia de carburo de silicio está relativamente madura en aplicaciones de bajo y medio voltaje (como dispositivos de 1200 voltios). La uniformidad del espesor, la uniformidad de la concentración de dopaje y la distribución de defectos de la capa epitaxial pueden alcanzar un nivel relativamente bueno, que básicamente puede satisfacer las necesidades de SBD (diodo Schottky) de voltaje medio y bajo, MOS (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico), JBS ( diodo de unión) y otros dispositivos.

Sin embargo, en el campo de la alta presión, las obleas epitaxiales aún deben superar muchos desafíos. Por ejemplo, para dispositivos que deben soportar 10.000 voltios, el espesor de la capa epitaxial debe ser de aproximadamente 100 μm. En comparación con los dispositivos de bajo voltaje, el espesor de la capa epitaxial y la uniformidad de la concentración de dopaje son muy diferentes, especialmente la uniformidad de la concentración de dopaje. Al mismo tiempo, el defecto triangular en la capa epitaxial también destruirá el rendimiento general del dispositivo. En aplicaciones de alto voltaje, los tipos de dispositivos tienden a utilizar dispositivos bipolares, que requieren una vida útil minoritaria elevada en la capa epitaxial, por lo que es necesario optimizar el proceso para mejorar la vida útil minoritaria.

En la actualidad, la epitaxia doméstica es principalmente de 4 y 6 pulgadas, y la proporción de epitaxia de carburo de silicio de gran tamaño aumenta año tras año. El tamaño de la lámina epitaxial de carburo de silicio está limitado principalmente por el tamaño del sustrato de carburo de silicio. En la actualidad, se ha comercializado el sustrato de carburo de silicio de 6 pulgadas, por lo que el epitaxial de carburo de silicio está pasando gradualmente de 4 pulgadas a 6 pulgadas. Con la mejora continua de la tecnología de preparación de sustratos de carburo de silicio y la expansión de la capacidad, el precio del sustrato de carburo de silicio está disminuyendo gradualmente. En la composición del precio de la lámina epitaxial, el sustrato representa más del 50% del costo, por lo que con la caída del precio del sustrato, también se espera que disminuya el precio de la lámina epitaxial de carburo de silicio.